一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备的制作方法

专利名称：一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备的制作方法
技术领域：
本发明属于铁路轨道表面强化与修复技术，涉及一种实现钢轨表面强 韧化和修复处理的在线激光加工设备，具体为一种用于铁路钢轨表面强韧 化处理的在线激光加工设备。
背景技术：
随着列车速度、运量和轴重的提高，钢轨因为磨损失效的速率越来越 快，因钢轨损伤而导致的列车脱轨事故时而发生。我国每年用于更换和维 修损伤钢轨的直接费用达数十亿元人民币。高速、重载列车对列车的运行平稳性和安全性有更高的要求，钢轨的 耐磨性更好、使用寿命更长是其中的关键因素之一。对普通铁路运行线路 来说，钢轨的损伤主要表现为孔裂、轨头垂直和水平裂纹、擦伤、淬火裂 纹、轨腰圆弧纵裂、核伤、剥离掉块及鱼鳞纹等。对无缝线路来说，钢轨 的损伤主要表现为焊接接头损伤、轨头垂直和水平裂纹、孔裂、擦伤、剥 离掉块及鱼鳞纹、轨腰圆弧纵裂和核伤等，主要是由于列车运输过程中轨、 轮的摩擦磨损、疲劳磨损等原因所致。迄今为止，如何有效缓解和消除这 些轨道伤损还没有行之有效的解决办法，只有采用直接更换钢轨的方式， 使得铁路运营成本居高不下。随着我国铁路第六次大提速的实现和四纵四横铁路主干线建设项目的 启动，铁路运营高速化、重载化已成为加快我国铁路运输业发展的必然趋 势。然而，在现有轨道条件下，机车轴重、运行速度和强度的提高将进一 步縮短铁路基础部件的使用寿命和维修周期，钢轨检修和列车运行安全也 将面临严峻挑战，并成为制约我国进一步提高轨道运输能力的瓶颈。仅仅 是铁路工务部门每年用于更换道岔部分主要部件(如尖轨、护轮轨、基本 轨、岔心)所涉及到的钢轨材料费、人工费就数量惊人，加上更换正线、 弯道及其它部分所造成的直接经济损失，和因为铁道维修影响列车运输导致运能不足所带来的间接经济损失，其值更是难以估量。因此，进一步提 高铁路轨道的使用寿命成为我国发展高速、重载列车的必要保障。为了提高铁道钢轨的使用寿命，国内外一般采取三种方法第一，采 用感应全长淬火工艺，获得细片状珠光体组织；第二，采用低合金高碳钢 取代普通碳素钢；第三，采用贝氏体钢或者低碳马氏体钢取代高碳钢，进 一步提高钢轨的表面硬度等。在过去几年中，钢轨全长淬火技术取得了显 著的效果，它使钢轨的耐磨性分别提高了50% (直道)和100% (弯道)。 然而，全长淬火技术的主要不足之处在于钢轨的表面不能够出现马氏体甚 至贝氏体组织，否则将大幅度降低钢轨的断裂韧性，导致钢轨在服役过程 中出现断轨等事故，严重影响到铁道的安全运行。因此，全长淬火后钢轨 硬度一般控制在Hv320 390之间，其耐磨性潜力的挖掘已经接近极限。低 合金高碳钢钢轨与全长淬火技术相结合，可以进一步提高钢轨耐磨性，但 效果不显著。低碳马氏体钢轨和贝氏体钢轨尚处于研发阶段，主要的困难 在于如何保证钢轨的焊接接头强度问题。激光表面强化技术是近二十年发展十分迅速的金属材料表面强化技术 之一，它包括激光淬火、熔凝淬火、表面合金化和表面熔覆技术等工艺， 其共同特点是加热速度快、热影响区小、工件变形小，因此有望取代感应 全长淬火工艺，成为新一代的钢轨表面强化工艺。我们前期的研究成果表 明，由于激光表面强化技术的高加热速度、高冷却速度、硬化层深度有限 和硬化层呈现压应力状态等特点，钢轨表面即使出现马氏体组织，也不会 导致钢轨的强韧性显著下降。特别是由于马氏体组织的硬度显著高于细片 状珠光体，因此可以突破感应全长淬火工艺时钢轨表面硬度不能高于Hv390 的上限，使得钢轨的表面耐磨性跃上新台阶。此外，激光表面淬火技术具 有硬化层深度方便调控、不需要淬火介质、不需要回火、工件变形小等特 点，因此除了可以在生产车间内实现定点加工，还可望研发出专用装备， 完成轨道的在线淬火。显然，考虑到铁路干线繁忙的现状，在线激光加工设备应具有高机动 性，能够在尽量不影响列车正常运行的前提下，实现轨道表面强韧化和修 复加工处理。中国实用新型专利文献"一种铁路轨道激光维修车"(公告号为CN2622241，
公开日为2004年06月30日)报道中，提出了一种铁路轨道 激光维修车，它可以在不拆卸钢轨的前提下，实现钢轨的在线强化与修复。 该文献提出的铁路轨道激光维修车包括牵引及控制车和轨道作业车两部 分。牵引控制车是在铁路轨道车的基础上改制的，主要区别在于在铁路轨道车的司机位置处设有激光作业总控制台；轨道作业车是在铁路客车的基 础上改制完成的，其上设置有一台或两台大功率C02激光器。当设置一台 激光器时，激光器位于作业车中央，用一面分光镜将激光束平分为两束水 平光束，并分别通过两面垂直镜将激光束导向钢轨面。当设置两台激光器 时，两台激光器相对，并与车辆几何中心对称或斜对称，激光光路设计上 分别用两面水平镜将激光束就近垂直于激光器光轴线传出，再分别用两面 垂直镜将激光束导向钢轨面。激光光路和数控系统的设置可精确地将激光 束传输到钢轨加工点上，具体由光路转镜、支架、滑轨、移动装置、光路 保护装置、电缆、数控软件、光头组成。为了保证轨道激光作业的顺利完 成，轨道激光修复车除了激光器系统、激光光路及移动数控系统之外，还 有车辆减震系统、激光器减震系统、钢轨面清洗系统、钢轨面吸光材料喷 涂系统、涂料烘干系统、激光器供气系统、激光器供粉系统、激光器冷却 系统、激光器供风系统、激光车车体、监视及照明系统、车厢密封除尘系 统等。根据上述描述，可以看出，该文献所提出的激光修复专用车具有如 下几个不足第一，激光器、制冷机、加工装置等设备的运载工具是用轨道车和车 厢改制而成的，重量大，体积大，只能够沿着铁路线运动，占用了轨道。 因此，该设备在钢轨表面激光强韧化处理时，难以有效避让过往车辆，不 能满足在铁路干线正常运营条件下实现钢轨表面激光强韧化的处理要求。第二，该设备采用高功率C02激光器作为光源，无论是横流C02激光器还是快轴流激光器，其光电转换效率相对较低，体积庞大，重量大，耗 能也大。加上C02激光器对光腔的稳定性要求高，因此牵引车和修复车必 须具有良好的抗震性，必须添加防震装置，这也进一步增加了设备的重量。 第三，C02激光器的波长为10.6微米，金属基体对其吸收率很低，必 须喷涂吸光涂料才能获得较好的效果。不仅增加了激光加工的工序，所需 要的涂料喷涂、烘干和清洗设备也使得整个激光维修设备的重量和体积更加庞大。第四，所采用的C02激光器导光系统复杂，只能采用飞行光路并通过 机械紧固，激光修复车运行过程中产生的震动会不可避免地对光路的精密 性造成影响，降低激光加工过程的长期稳定性；第五，整个激光加工设备需要采用大马力柴油机牵引，耗能大，体积 大，设备的造价也相当昂贵。即使采用电气化线路沿线的电力线，也存在 着连线、断线操作工序复杂等种种弊端，适用性差。发明内容本发明的目的在于提供一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光 加工设备，该设备操控方便，装卸运输简便，可以在不影响列车正常运行 的前提下，在线实现轨道不同部位的激光表面强化及修复处理。本发明提供的用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线式激光加工设备，其结构为运动执行机构和控制系统安装在移动小车上；发电机、制冷机、 空压机、冷干机和激光器高压电源安装在载重汽车；运动执行机构为数控 机床或机器人；发电机与上述各部件电连接；激光器高压电源与激光器电连接，为其提供产生激光所需要的直流高 压电；空压机的出风口分别通过管道与冷干机的入风口相连通，冷干机的出风U通过管道与激光加工头和送粉器相连；制冷机为激光器及导光系统、激光加工头上的光学镜片提供冷却； 控制系统分别与制冷机、空压机、冷干机、激光器高压电源、激光器和运动执行机构电连接；控制系统控制制冷机、空压机、冷干机、激光器高压电源和激光器的开、关，控制系统控制运动执行机构按照设定的轨迹运动；激光加工头安装在运动执行机构上；激光加工头直接或者通过导光系 统与激光器相连。利用本发明提出的在线激光加工设备，可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等 的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆处理，使加工后的钢轨耐磨性 大幅度延长。特别是在钢轨表面的激光硬化层磨耗完毕之后，还可以在不 拆卸铁路轨道的前提下进行钢轨的二次、三次和多次表面强韧化处理，使 得钢轨的全寿命周期大幅度延长，轨道更换次数大幅度降低，克服目前铁 路轨道使用中存在的诸多弊端，满足铁路高速、重载列车对钢轨的耐磨性 要求。具体而言，本发明具有如下特点或者功能(1) 本发明将激光加工系统分为激光加工车和动力工程车两部分。其 中，激光加工车体积小，重量轻，机动灵活，装卸方便，能够有效地避让 列车，在钢轨表面实现各种在线强韧化处理。将发电机、制冷机、空压机、 冷干机及激光器的高压电源等体积、重量相对较大的设备安装在载重汽车 上，组成动力工程车。该车可以远离铁路轨道(最大距离可达100米)，因 此不需要避让过往轨道的列车，从而可克服对比文献中激光维修车的重量 大、体积大、操作不便、在铁路正常运输条件下无法避开过往列车的弊端， 利用列车通行的时间间隙也可以进行激光表面强韧化处理。(2) 本发明中的激光加工车体积小，轻便，能够用人力或者小型叉车 随时随地实现在轨道上的安装、拆卸及搬运，机动性强，能够在列车到来 前及时避让，并在列车离开后快速进入加工状态，从而完成线路上指定区 域的钢轨加工。在加工完轨道一边后，直接将加工车换向，就可以对轨道 另一边进行加工。还可以针对钢轨焊接接头病害实现定点修复或者强化。(3) 本发明采用可光纤传输的固体激光器，省却了复杂的飞行光路，降低了激光能量的光路传输损耗。激光器既可以安装在激光加工车上(当 采用高功率半导体激光器时)，又可以安装在动力工程车上(当采用光纤激 光器及其它固体激光器时)，从而能够保证激光加工车的高机动性。(4) 所采用激光器的波长短，钢轨对其吸收率高，因此不需要预先喷 涂涂料及后续的清洗涂料等工序，简化了工艺，降低了设备的体积、重量、 能耗及造价。(5) 本发明中的运动执行机构部分可以采用两种结构， 一种是数控机 床，另一种是机器人。无论哪种结构都可以保证钢轨踏面和内侧的激光表 面强韧化处理的加工精度。(6) 激光加工车上的激光加工头可进行旋转，能实现轨道不同部位的 激光淬火、熔凝淬火、合金化处理。通过和自动送粉器结合，可以实现钢 轨的激光熔覆修复加工。(7) 当钢轨需要在不影响铁路正常运输的前提下快速实现激光表面强 化加工，加工周期短，任务急时，可采用多台激光加工车，同时集中在同 一个地段施工，以加快施工速度，使激光加工过程对铁路运输的影响降低 到最小程度。(8)本发明除了能够对钢轨进行在线激光表面强化外，同样可以在生 产车间内实现铁路轨道的离线生产。本发明适用于各种铁道钢轨，包括高 速、重载列车轨道和城市地铁、轻轨轨道的表面强韧化处理和修复，应用 非常广泛。


图1为本发明在线式激光加工设备的一种结构示意图； 图2是本发明的移动小车的结构示意图； 图3是图2的俯视图； 图4是图2的侧视图；图5是图2中A-A剖面，驱动轮及钢轨结合剖视图；图6是透射聚焦式激光加工头的结构示意图；图7是光纤耦合导光系统的原理示意8是激光加工车的第一种具体实现方式的结构示意图；图9是图8俯视图；图10是图8的侧视图；图11是激光加工车的第二种具体实现方式的结构示意图； 图12是激光加工车的第三种具体实现方式的结构示意图； 图13是图12的侧视图；图14是激光加工车的第四种具体实现方式的结构示意图； 图15是动力工程车上的一种结构示意图；图16是激光加工车的第五种具体实现方式的结构示意图； 图17是激光加工车的第六种具体实现方式的结构示意图；图18是激光加工车的第七种具体实现方式的结构示意图；。
具体实施方式
本发明涉及的激光加工设备由激光加工车和动力工程车两部分组成。本发明所使用的激光器可以是高功率半导体激光器、光纤激光器、二 极管泵浦固体激光器或者灯泵浦固体激光器。当激光器采用高功率半导体 激光器时，激光器最好安装在激光加工车上，这是因为半导体激光器的体 积小，重量轻，直接安装在激光加工车上，不会明显增加加工车的重量， 而可以减小激光器到激光加工头之间的距离，减少光纤的长度或导光系统 的复杂程度，降低激光束在传输过程中的能量损耗，提高设备的性能/价格 比。当使用其它固体激光器时，由于激光器的体积和重量相对较大，安装 在激光加工车上将会显著增加小车的体积和重量。因此，宜将这类激光器 安装在动力工程车上，以保证激光加工车的高机动性。本发明设备可以用于实现轨道不同部位的激光表面强韧化处理，包括 激光淬火、熔凝淬火、激光熔覆和合金化处理等。下面以采用高功率半导体激光器进行野外激光熔覆修复加工为例，结 合各图说明本发明设备的结构。如图1所示，整个在线激光加工设备包括激光加工车1和动力工程车2 两部分。激光加工车1包括移动小车3、激光加工头4及其运动执行机构5、导 光系统6、激光器7、自动送粉器8、加工车控制系统9。运动执行机构5 可以是数控机床，也可以是机器人。当本发明设备用于激光淬火或熔凝淬 火时，激光加工车1上可不设置自动送粉器8。动力工程车2包括发电机10、制冷机11、空压机12、冷干机13和激 光器高压电源14。上述装置安装在动力工程车2的车厢内。当本发明设备 在有外接电源的场所使用时，动力工程车2上可不设置发电机10。为减缓 在运输过程中，发电机、空压机、冷干机、激光器电源、激光加工车等设 备因为道路不平产生振动，发生与车厢之间的碰撞，导致设备损伤的程度， 上述各装置可以通过减震器安装在载重汽车上。发电机10为动力工程车2上的制冷机11、空压机12、冷干机13、激光器高压电源14和激光加工车1上的运动执行机构5、自动送粉器8和控制系统9提供工作所需要的电能。激光器高压电源14给激光器7提供产生激光所需要的直流高压电。 运动执行机构5、激光器7、自动送粉器8和控制系统9均安装在移动小车3上。激光加工头4安装在激光加工车1上的运动执行机构5上。激光加工 头4的角度旋转范围为-90° 90°,能实现轨道踏面和内侧等不同部位的激 光表面强韧化处理。激光加工头4可以采用现有的可旋转式激光加工头， 也可以通过加装旋转轴将普通的激光加工头安装在运动执行机构上，实现激光加工头的旋转。控制系统9与制冷机11、空压机12、冷干机13、激光器高压电源14、 激光器7、自动送粉器8电连接，控制各器件的开与关，并控制运动执行机 构5按照设定的轨迹运动。激光加工头4在运动执行机构5的带动下按照 控制系统9所设定的轨迹运动，完成钢轨表面的强韧化处理。激光器7通 过导光系统6将激光束传输到激光加工头4，聚焦并作用于工件表面。导光 系统6可以采用现有的光纤传输系统或由多块反射镜组成的硬光路系统， 当使用半导体激光器作为光源时，甚至能够直接和激光加工头相连。自动 送粉器8通过导管与激光加工头4的喷嘴相连。运动执行机构5可以是数控机床或机器人。制冷机11通过管道给激光器7及导光系统6、激光加工头4上的光学 镜片提供冷却水。空压机12的出风口分别通过管道与冷干机D的入风口 相连通，冷干机13的出风口通过管道与激光加工头4的喷嘴相连。空压机 12产生的压縮空气在经过冷干机13过滤后，消除掉其中的水、油滴等液态 物质，再通过管道输送给激光加工头4作为保护气体，防止激光表面处理 过程中产生的灰尘、烟雾污染激光加工头4上的聚焦镜。冷干机13的另一 个出风口通过管道与自动送粉器8相连，在送粉器开启时，该气体将合金 粉末通过导管输送到激光加工头4，并从喷嘴喷出。不工作时，激光加工车1安放在载重汽车16车厢的尾部，并固定好。 载重汽车16作为将所载各部件运送到所需地方的运载工具。下面举例说明各部件的几种具体实现方式。移动小车3是在由铝合金或者钢架构成的框架结构(车身)15上安装 2—4个车轮构成，车身15采用铝合金型材或者型钢制造，其厚度和尺寸根 据小车上所需要安装的装置如送粉器、激光器、运动执行机构的重量等要 求而确定。根据小车上设备的布置方式，和小车质量最小化的原则，小车 上的车轮可以是两个、三个或者四个。以三轮结构的小车为例，如图2、图 3、图4、图5所示，在框架结构上安装了驱动轮17、前轮18和边轮19。 在驱动轮17上，还安装了伺服电机57和齿轮系统22，可以在控制系统的 驱动下沿着钢轨前后运动。在移动小车3的车身15上，还安装了提手20， 用于将激光加工车1安置或者搬离钢轨57。如图5所示，驱动轮17通过齿轮组22、车轮轴承23和车轮轴24配合 传动。整车能够通过提手20安装或搬离轨道57。移动小车15通过其上的 前轮18、驱动轮17、边轮19和轨道57配合，并通过驱动轮伺服电机21 来驱动小车沿钢轨的长度方向前后移动。移动小车3也可以采用二轮结构，并安装支撑架定位，通过人工移动 将移动小车安装到轨道单根钢轨上，通过支撑架定位，可以进一步降低设 备制造成本和重量。移动小车3采用四轮结构可以增加激光加工车的稳定 性，但小车的重量进一步增加，不利于手工搬运激光加工车。激光加工头4是本发明中移动式激光加工设备的重要部件，可以采用 各种形式的可旋转式激光加工头， 一般有二种结构形式透射聚焦式激光 加工头和反射聚焦式激光加工头。下面列举一种具体的结构形式，但本发 明所使用的激光加工头并不局限于此。如图6所示，激光加工头4包括激光束扩束镜33、导光筒34、透射聚 焦镜35、激光头支架37、喷嘴39组成。激光束扩束镜33的入光口和导光 系统6 (光纤或者硬光路)的出光口相连，激光扩束镜33的出光口插入导 光筒34的上部，所插入深度可在导光筒34中上、下调整。导光筒34通过 锁紧螺母36固定在激光头支架37上，透射聚焦镜35安装在导光筒34下 部，喷嘴39与导光筒34的底部螺纹连接。在导光筒34上还安装有多个气 嘴40 (最好对称分布)。它们的作用有两个当采用激光熔覆工艺时，它们 和自动送粉器8的送粉导管相连，合金粉末通过导管沿喷嘴同轴喷出；当 采用激光淬火或者熔凝淬火工艺时，上述4个气嘴分别与冷干机的出气口相连，使清洁、干净的压縮空气从喷嘴喷出，防止镜片被烟尘污染。激光头支架37通过旋转轴38与运动执行机构5相连，使激光头4与 运动执行机构5同步运动。旋转轴38上的螺丝帽拧松时，可以轻松地将激 光加工头4旋转一定的角度，从而完成钢轨内侧边的激光表面强韧化处理。激光束扩束镜33的入光口与导光系统6 (光纤或者导光系统)的出光 口相连，激光束扩束镜33的出光口与连接头42的上端相连。激光束从扩 束镜33射出，经过45°反射镜43转变90°后，射到导光筒34内非球面聚 焦镜44上，经过非球面聚焦镜44反射并聚焦之后，从喷嘴39射出并作用 在钢轨57表面。在导光筒34与45°反射镜43的接头处，有一个旋转定位 卡盘45，它一般处于锁紧状态。当需要将激光加工头4转动加工角度时， 拧松旋转定位卡盘45上的螺丝帽，将导光筒34连同其后边的非球面聚焦 镜44在一90° +90°之间调整，将光束转动到所需要的角度，满足钢轨内 侧激光表面强韧化处理的要求。当激光加工头4与自动送粉器9相连时，喷嘴39采用同轴送粉喷嘴。激光加工头的另一种形式可以采用工业上常用的反射聚焦方式激光加 工头，通过旋转轴或其它旋转机构将其安装在运动执行机构上。上述两种激光加工头都可用于钢轨表面的激光强韧化处理。其中，透 射聚焦式激光加工头结构较为简单，重量也略微轻便，但是聚焦镜为晶体， 容易因为污染而损伤。反射聚焦式激光加工头镜片都为铜镜，耐久性强， 比较适合长时间野外工作状态。激光加工车1可采用的导光系统6有两类 一种是光导纤维，另一种是由多块反射镜组成的硬光路系统。如图7所示，当采用光导纤维作为导光系统时，激光器7发出的激光 束55经过光纤耦合头46耦合进入光导纤维61，传输到激光加工头4上的 激光扩束镜33，再通过聚焦镜聚焦之后出射到待处理的轨道上，实现激光 表面强韧化处理。光导纤维61是由本征损耗小的光波导芯层材料(其折射 率为n2)和包层材料(其折射率为nl)构成(n2>nl)。 1064nm的红外激 光在高质量光导纤维中的传输损耗极低，即使光纤长度达到100米，最大 损耗仍然能够保持在5%以下。因此，必要时即使将激光器安装在距离钢轨 100米远的动力工程车2上，仍然能够将激光器7所输出的高功率激光束高效传输到位于轨道上的激光加工车1上。当采用光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、灯泵浦固体激光器作为光源时，均用光纤作为导光系统6，并 由于该类激光器的体积、重量相对较大， 一般将其安装在动力工程车2上。 当采用高功率半导体激光器作为激光源时，由于其体积小、重量轻，而光 束质量相对较差，因此可直接安装在激光加工车1上，以便縮短光程。此 时，既可以采用光纤传输，也可以采用硬光路传输。当采用硬光路传输时，有两种方式 一种是将激光器7直接安装在激光加工头4的上方，使半导体激光器7与激光加工头4直接相连，聚焦后 用于激光加工，此时可以省略导光系统。另一种方式采用45。反射镜组合将 激光器发射的激光束传导至激光加工头4上聚焦后用于激光加工。当激光器7位于移动小车3上时，激光加工车的结构如图8、图9、图 IO所示。运动执行机构5采用数控机床，数控机床由X轴伺服电机25、 Y 轴伺服电机26、 Z轴伺服电机27、 X轴工作台28、 Y轴工作台29、 Z轴工 作台30组成。激光束通过光导纤维6从激光器7传输至激光加工头4聚焦 后，直接辐照至轨道57表面。当激光器7位于动力工程车2上时，激光加工车的结构如图11所示。 此时激光束通过光纤传输到激光加工车1上的激光加工头4，聚焦之后照射 到钢轨表面。如图12、图13所示，在数控机床的5的X轴工作台28下面安装一个 可旋转底盘31，将X轴工作台28固定在可旋转底盘31之上。可旋转底盘 31可以围绕旋转中心轴32转动180度。当激光加工车i处理左恻钢轨57 时，用螺钉锁定可旋转底盘31，以防止运动执行机构5抖动或者滑动。当 完成了左侧钢轨57的加工后，只需要将该螺钉松开，人工推动它绕旋转中 心轴32转动180度，然后用螺钉锁定，就可以对另一边钢轨57进行激光 加工处理。而激光加工车1上的其余部分不需要移动。这一结构和图8所 示结构相比的优势在于当需要改变激光加工的轨道时，不需要将整台激 光加工车1抬起来换向，而只需旋转其中的数控机床部分5即可，省力省 事，使用更加方便。此时，移动小车3采用四轮系统，以便增加设备的平 稳性。如图14所示，当激光器7采用高功率半导体激光器作为光源时，可以直接安装在激光加工头4上，通过套筒相连。这样可以减少激光束传输损 耗。当激光器采用高功率光纤激光器或半导体泵浦全固态激光器作为光源 时，将光纤激光器的高压电源14和激光器7都安装在载重汽车16上，其 布置示意图如图15所示(不工作状态)。工作时，将激光加工车1从载重 汽车16上搬到轨道57上，并通过光纤6将激光加工头4与激光器7相连。激光加工车1中的运动执行机构5也可以用业已发展成熟的机器人代 替。如图16所示。机器人61位于激光加工车1的中央，激光加工头4安 装在机器人61的执行机构末端，通过机器人61的各个关节48、 49、 50、 51、 52、 53的协调运动，完成钢轨57踏面及内侧的激光表面强韧化处理。 二极管激光器7输出的激光束是通过光纤传输到激光加工头4上的。与以数控机床5为移动执行机构时相比，机器人61实际上是一种6轴 的数控系统，它代替数控机床5作为执行机构，最大的优势在于它可以 在编制好激光加工程序后， 一次性完成钢轨踏面(正面)及内侧的强韧化 处理。同时，机器人的活动范围更大，可以在完成一边轨道57踏面和内侧 的强韧化处理之后，根据所编制的软件直接完成另一边钢轨57踏面和内侧 的激光强韧化处理，而不需要使小车改变方向。该结构的不足之处有两点 一是机器人61的重量一般比数控机床大，激光加工车1的车身刚性结构必 须加强才能满足要求，加上机器人61本身的重量也更大，因此激光加工车 1的整车重量会增加较多。当需要搬运激光加工车1时，单纯靠人力会存在 困难，但是可以借助叉车来完成；二是机器人61的造价比三轴数控系统5 高，将会增加设备制造成本。当采用高功率半导体激光器作为激光源时， 激光器7可安装在激光加工车1上，如图16所示。也可以将激光器7直接 安装在机器人61的执行端上，如图17所示。此时，激光器7和激光加工 头4直接相连，省去了光纤传输或者硬光路导光系统，结构更加简单，降 低了设备造价。其不足之处在于激光器7直接装载在机器人61的执行关 节上，要求机器人61的承重能力较大，导致相关成本增加。当采用光纤激光器或者二极管泵浦固体激光器作为光源时，激光器将安 装在动力工程车2上。此时，激光束从位于动力工程车2上的激光器7输 出，通过光纤6传输到直接安装在机器人61执行端的激光加工头4上，聚焦后作用于钢轨57表面，如图18所示。这种结构可以减轻激光加工车1 的重量，但是光线传输增加了设备的成本。与这种激光加工车1所对应的 动力工程车2上设备布局与图15相同，因此不再赘述。当需要完成钢轨激光表面强韧化加工任务时，具体实施工艺流程如下(1) 动力工程车2装载激光加工车1驾驶到需要进行激光表面强韧化或 者修复加工处理的铁路路段，找一个离所处理路段近且相对平整的地方停 好。动力工程车2停车位置距离钢轨57的直线距离不超过100米。用人工 或者叉车将激光加工车1搬运至所需要处理的钢轨路段，将激光加工车1 的两边车轮对齐轨道，并使激光加工车1运行至指定加工位置。采用电线、 气管、水管等将动力工程车2上的装置和激光加工车1上的装置分别按照 图1所示的连接方式准确连接。(2) 启动发电机IO、制冷机ll、空压机12、冷干机13、激光器高压电 源14，打开控制系统9，启动激光器7使其处于待机状态。控制系统9通 过控制运动执行机构5的运动方式，调整激光加工头4上聚焦镜片和轨道 表面的相对位置，来控制聚焦点位置和光斑尺寸的大小。激光加工头4可 采用反射聚焦方式或透射聚焦方式。(3) 在激光加工头4上的位置调整完毕后，调入或编制运动执行机构 5的运动程序、设定工艺参数。开启控制系统9，激光加工作业开始，在轨 道表面形成所需宽度和深度的激光强韧化层。(4) 在轨道水平面的激光强韧化处理完成后，通过激光加工头4上的 转动机构将激光加工头4转动一定的角度，然后重复步骤(4)、 (5)，即可 在轨道内侧面形成所需的激光强韧化层。(5) 激光加工完成一段钢轨的表面处理后，移动激光加工车1至另一 指定位置，重复上述步骤，完成另一段轨道表面的激光强化。(6) 采用上述工序完成钢轨的单边处理后，直接通过提手20将激光 强化加工车搬离轨道并换向后，即可开始对另一边轨道的加工。当工期紧、任务重，需要加快进度时，可以采用两台或者多台激光加 工车，集中对所要求表面强韧化的路段进行处理，以便縮短工期，满足铁 路运输要求。
权利要求
1、一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的移动式激光加工设备，其特征在于运动执行机构(5)和控制系统(9)安装在移动小车(15)上；发电机(10)、制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)和激光器高压电源(14)安装在载重汽车(16)上；运动执行机构(5)为数控机床或机器人；发电机(10)与上述各部件电连接；激光器高压电源(14)与激光器(7)电连接，为其提供产生激光所需要的直流高压电；空压机(12)的出风口分别通过管道与冷干机(13)的入风口相连通，冷干机(13)的出风口通过管道与激光加工头(4)和送粉器(8)相连；制冷机(11)为激光器(7)及导光系统(6)、激光加工头(4)上的光学镜片提供冷却；控制系统(9)分别与制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)、激光器高压电源(14)、激光器(7)和运动执行机构(5)电连接；控制系统(9)控制制冷机(11)、空压机(12)、冷干机(13)、激光器高压电源(14)和激光器(7)的开、关，控制系统(9)控制运动执行机构(5)按照设定的轨迹运动；激光加工头(4)安装在运动执行机构(5)上；激光加工头(4)直接或者通过导光系统(6)与激光器(7)相连。
2、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于激光器(7)为半导体 激光器，激光器(7)安装在移动小车(15)上，激光加工头(4)的入光 口与激光器(7)的出光口相连。
3、 根据权利要求1所述的设备，其特征在于激光器(7)安装在载 重汽车(16)上，激光加工头(4)的入光口通过两端分别带有光纤耦合头 的光导纤维与激光器(7)的出光口相连。
4、 根据权利要求l、 2或3所述的设备，其特征在于移动小车(15) 上还安装有自动送粉器(8)，自动送粉器(8)通过导管与激光加工头(4) 的喷嘴相连。
5、 根据权利要求l、 2或3所述的设备，其特征在于激光加工头(4) 为可旋转式激光加工头。
6、 根据权利要求1、 2或3所述的设备，其特征在于在数控机床的 (5)的X轴工作台下面安装有可旋转底盘(31)。
7、 根据权利要求1、 2或3所述的在线激光加工设备，其特征在于-激光加工头(4)由激光束扩束镜(33)、导光筒(34)、透射聚焦镜(35)、 激光头支架(37)和喷嘴(39)组成；导光筒(34)上安装有气嘴(40)，导光筒(34)固定在激光头支架(37) 上，激光束扩束镜(33)的出光口插入导光筒(34)的上部，透射聚焦镜 (35)安装在导光筒(34)下部，喷嘴(39)与导光筒(34)的底部螺纹 连接；激光头支架(37)通过旋转轴(38)安装在运动执行机构(5)。
全文摘要
本发明公开了一种用于铁路钢轨表面强韧化处理的在线激光加工设备，包括激光加工车和动力工程车。激光加工车包括安装在移动小车上的运动执行机构、激光加工头、控制系统均和/或自动送粉器；动力工程车包括安装在载重汽车上的发电机、制冷机、空压机、冷干机和激光器高压电源。激光加工头安装在运动执行机构上；激光加工头直接或者通过导光系统与激光器相连。本发明可以在不拆卸钢轨、不影响列车的正常运行前提下，完成各种钢轨，包括正轨、弯道、护轮轨、道岔等的激光表面淬火、熔凝淬火、合金化和熔覆处理，使加工后的钢轨耐磨性大幅度延长，并具有装卸简便、加工精度高、操控简单的特点。
文档编号C21D7/00GK101240367SQ200810047028
公开日2008年8月13日 申请日期2008年3月10日 优先权日2008年3月10日
发明者曾晓雁, 李祥友, 杨学瑾, 王具平, 罗建国, 胡乾午, 明 高 申请人:华中科技大学;武汉铁路局科学技术研究所